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Schäumen von Kunststoffen

Das Wichtigste über Schaumstoffe und das Schäumen von Kunststoff

| Autor / Redakteur: Peter Königsreuther / Peter Königsreuther

Kunststoffe - und zwar sowohl Thermoplaste als auch Duromere und Elastomere - können zum Schaumteil werden. Hier ein Beispiel eines weitgehend offenzelligen Schaums aus eingefärbtem Polyurethan mit Blick auf das zellige Innenleben. Hier erfahren Sie, welche Schäume aus Kunststoffen es noch gibt, und wie man sie herstellt.
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Kunststoffe - und zwar sowohl Thermoplaste als auch Duromere und Elastomere - können zum Schaumteil werden. Hier ein Beispiel eines weitgehend offenzelligen Schaums aus eingefärbtem Polyurethan mit Blick auf das zellige Innenleben. Hier erfahren Sie, welche Schäume aus Kunststoffen es noch gibt, und wie man sie herstellt. (Bild: Messe Düsseldorf/C. Tillmann)

Schaumstoffe kennt jeder! Man liegt oder sitzt drauf, kratzt damit die Fettkrusten von der Pfanne oder ärgert sich über statisch überall anhaftende Styroporkügelchen. Wer mit Bauschaum umgeht, erlebt sogar live wie PUR-Schaum, das vielseitige Leichtbausystem aus der Kunststoffwelt, entsteht. Hier folgt nun Grundlegendes zu Schäumen und zur Schaumstoffherstellung.

Bei den Schaumstoffen kombinieren sich einige zentrale Vorteile der Kunststoffe mit den physikalischen Besonderheiten von zellig aufgebauten Systemen, die als Naturschwamm oder als Mark von Holunderholz auch biologische Vorbilder haben. Schaumkunststoffe punkten durch ihr leichtes Gewicht, sie isolieren gegen Wärme und Kälte, dämpfen Schall und mechanische Belastungen und sind in der Regel schwimmfähig, bei Bedarf aber auch stark beim Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und Gasen. Nicht zuletzt sind Kunststoffe günstig, leicht zu verarbeiten und sie sparen als geschäumte Kunststoffteile Energie und Material ein. Das sind die Hauptvorteile, weswegen Schaumteile aus Kunststoff in quasi jeder Branche ihren Platz erobert haben. Vielen Schlüsselbranchen, wie der Fahrzeugbau, die Logistik, der Luft- und Raumfahrt, das Verpackungswesen oder der Bausektor können heute kaum auf Schaumstoffe verzichten.

Diese Kunststoffe lassen sich schäumen

Weil sich sowohl Thermoplaste (wieder schmelzbare Kunststoffe, ähnlich Kerzenwachs: PE, PP, PS) als auch die meist nicht wieder schmelzbaren, weil chemisch vernetzten, Duromere und Elastomere (PUR, Kautschuke sowie Silikone) technisch schäumen lassen, ist im Laufe der Zeit ein durchaus beachtlicher und wichtiger Industriezweig in Sachen Schaumteilherstellung und dem Bau entsprechender Maschinen zum Schäumen entstanden. Auch glas- oder carbonfaserverstärkte Kunststoffe können übrigens geschäumt werden.

Kunststoffe prägen verschiedene Schaumtypen aus

Schäumt man Kunststoffe auf, so können je nach Bearbeitungsbedingungen offenzellige, geschlossenzellige Schäume, oder auch sogenannte Integralschäume entstehen. Letztere kann man als technisch wichtige Sonderform der geschlossenzelligen Type verstehen. In der Praxis handelt es sich stets um Mischtypen.

Die offenzellige Art ist quasi der bekannte Schwamm- oder Matratzenschaumstoff (beide entstehen in einem kontinuierlichen Schäumverfahren), genau wie Blumensteckschaum. Bei offenzelligen Schäumen sind die Schaumblasen im Verlauf des Festwerdens des Kunststoffs geplatzt und deren Hautüberbleibsel bleiben nur noch als eine Art erstarrtes, miteinander verbundenes, 3D-Gitter stehen.

Geschlossenzellige Schaumteile tragen in sich intakte Blasen verteilt und haben eine mehr oder weniger dicke, geschlossene Außenhaut - ein gutes Beispiel dafür sind Isomatten oder Schwimmnudeln (oft durch Extrusion hergestellt). Geschlossenzellige Schäume verbergen sich allerdings auch oft unter einer dekorativen (Lack, Folie) oder schüztend-funktionellen „Haut" aus einem anderen Material. Man denke an Wandisolationen, ausgeschäumte Surfbretter oder Sandwich-Paneele sowie als eingeschäumtes Isolationsmaterial in Kühlschrankwänden.

Die Integralschäume sind von außen nicht immer sofort als Schaumteil zu erkennen. Charakteristisch dabei ist, dass die Anzahl der Blasen zum Inneren des Teils zunimmt, das heißt, die spezifische Teiledichte nimmt kontinuierlich ab bis zu einem Minimalwert. Integralschäume entstehen in der Regel durch Spritzgießen oder Pressverfahren in dicht geschlossenen Formwerkzeugen. Der Vorteil ist, dass deren Oberfläche quasi blasenfrei und damit gut lackierbar ist. Die kompakte Randschicht macht außerdem auch relativ dünne Integralschaumteile recht stabil.

So können Kunststoffe geschäumt werden

Das Schäumen von Kunststoffen gehört zum breiten Spektrum der Kunststoffverarbeitung, beschäftigt aber auch die Forschungslandschaft innerhalb der Kunststofftechnik. Für das Schäumen von Kunststoffen, oder, fachmännischer ausgedrückt, Polymeren, bedient man sich entweder dem physikalischen oder dem chemischen Schäumen. Ganz analog dazu, entstehen die essbaren „Schäume“ Brot, Kuchen oder Popcorn!

Das physikalische Schäumen von Polymeren

Beim physikalischen Schäumen wird ein reaktionsträges Gas (Inertgas) in Form von Kohlendioxid (CO2) oder Stickstoff (N2) – vor dessen Verbot auch FCKW – in die in einer Verarbeitungsanlage (Extruder oder Spritzgießmaschine) in der sogenannten Plastifiziereinheit befindliche Kunststoffschmelze (bei einem Thermoplast) oder in das vor seiner Aushärtung in der Form zunächst flüssige oder harzartig-zähfließende Duromer eingearbeitet.

So geht physikalisches Schäumen in der Maschine

Dafür gibt es zwei bekannte Verfahren (Mucell und Sulzer), die sich im Wesentlichen dadurch unterscheiden, an welcher Stelle die Gase in die Plastifiziereinheit injiziert werden. Die so eingebrachten, gasförmigen Treibmittel expandieren, sobald sich die damit ausgerüstete Schmelze, respektive zähflüssige Masse, im Hohlraum des Formwerkzeugs befindet. Nach der Erstarrung (Thermoplast) beziehungsweise Aushärtereaktion (Duromer) liegt das feste, einsatzfähige Schaumteil vor, wobei es sich um einen Integralschaum (Spritzgießen in ein geschlossenes Werkzeug) oder einen geschlossenzelligen respektive ansatzweise integralen Schaum (Extrusionsverfahren) handelt, der dabei wie eine Art Nudel aus dem fleischwolfartigen Extruder transportiert wird und relativ schnell abkühlt. So können Schläuche oder Profile (etwa Moosgummidichtungen) aller Art und Rohre (Isolationen für Heizungsrohre) entstehen, und eben auch die bekannte Schwimmnudel.

Der Vorteil des physikalischen Schäumens

Der Vorteil ist, dass die optimale Füllung der teilweise recht komplexen Formkavität durch die Expansion des Gases in der Schmelze unterstützt wird – Prinzip Gugelhupf, würde man oben einen schweren Deckel auf die Kuchenform legen. Einige, bei kompakten Kunststoffteilen vorkommende Bauteilfehler, wie Vakuolen (nahezu luftleere Blasen im Innern), Einfallstellen oder Verzug treten dabei kaum auf.

Ganz neu ist das „Plastinum Foam Injection Moulding“

Das neuartige Plastinum Foam Injection Moulding ist ein neuartiges, besonderes Verfahren, bei dem das Inertgas CO2 unter Druck in das Kunststoffgranulat eingebracht wird – und zwar noch bevor dieses in die Spritzgießmaschine transportiert wird. Das Gas diffundiert dabei in das Granulat ein. Damit vereint der Prozess die einfache Handhabung chemischer Schäumprozesse mit den positiven Effekten des physikalischen Schäumens. Das Verfahren kann an jeder beliebigen Spritzgießmaschine durchgeführt werden und ist in seinem schäumenden Effekt ähnlich gut regelbar wie das Mucell-Verfahren. Seit Ende 2018 ist es serienreif. Näheres dazu von den Spezialisten

Das rein chemische Schäumen von Kunststoffen

Beim chemischen Schäumen von Kunststoffen muss man dem Kunststoffgranulat feste Additive zusetzen, die beim Aufschmelzen des Polymers bei der Verarbeitung CO2 entstehen lassen. Meist wird aber schon schäumbares Kunststoffgranulat von den Materialherstellern angeboten. Das Gas macht aus der Schmelze dann eine anfangs fließfähige Schaummasse, die nach dem Abkühlen (Thermoplast) respektive Aushärten (Duromer), in der entsprechenden Gussform aus Metall, das feste Schaumteil bildet. Ein Pluspunkt des chemischen Schäumens ist, dass der Schaumhersteller keine komplexen Zusatzsysteme dafür braucht. Er kann die schäumbaren Kunststoffgranulate mit seinen vorhandenen Maschinen (wieder Extruder oder Spritzgießmaschine) verarbeiten, solange er die passenden Verarbeitungsparameter einstellt. Die so entstehenden Schaumteile gehören je nach Verarbeitungsmaschine auch wieder zu den Integralschäumen respektive geschlossenzelligen Typen.

Das wandlungsfähige Polyurethan wird so zur „Schaumgeborenen“

Speziell die Werkstoffgruppe der Polyurethane (PUR oder auch PU), den Duromeren zugehörig, und den meisten sehr bekannt als Bau- oder Montageschaum, bildet Schaum durch die Reaktion der Ausgangsstoffe Polyol und Isocyanat, die über einen sogenannten Mischkopf, der die Eintragsmenge steuert, miteinander vermengt werden. Der Mischkopf kann dabei fest auf einer Form platziert sein oder von Hand über die geöffnete Form bewegt werden. PUR-Schäume können alle Schaumarten ausprägen und von gummiweich bis glashart werden – je nach Typ der Ausgangschemikalien und der Rezeptur. Dem Polyol (eine spezielle Art von Alkohol) wird zuvor Wasser zugesetzt, das aufgrund der bei der Reaktion entstehenden Wärme zu Dampf wird und das Polyol-Isocyanat-Gemisch während dessen parallel verlaufender Härtungsreaktion aufschäumt. Man kann das Ganze durchaus als Kombination aus Chemie (exotherme Reaktion samt CO2-Entstehung) und Physik (Treibkraft des Wasserdampfs und des CO2) ansehen.

Beim PUR-Schäumen kommt's auf die Mixtur an

Je nach Art der Reaktionspartner, der Menge des Wassers und dem Volumen, das man beim Aufschäumen dem Gemisch zugesteht, entstehen mehr oder weniger große Zellen, die das Endprodukt entweder weich (Matratzen und Sitzpolster) oder hart, aber dennoch leicht machen (Wärmedämmplatten für Innenräume). Speziell bei in geschlossenen Formen hergestellten Polsterkomponenten, bildet sich eine geschlossenzellige Struktur aus. Das birgt das Problem, dass die darin befindlichen Gase über Wochen und Monate entweichen, und das Teil seine Form verliert und quasi in sich zusammenfallen kann. Das vermeidet man durch sogenanntes Crushen. Dabei werden die Bauteile durch einen sehr engen Spalt zwischen Metallwalzen gefördert, was die Zellstruktur aufbricht. Das Gas kann so leicht entweichen und das Zusammensinken wird verhindert.

Faserverstärkte Kunststoffe schäumen

Eine spezielle Variante des PUR-Schäumens nennt sich RRIM-Verfahren (Reinforced Reaction Injection Moulding), womit auch glasfaser- oder carbonfaserverstärkte, Leichtbauteile hergestellt werden können, indem die Fasern etwa in Form mattenartiger Gelege mit dem Polyol-Isocyanat-Mix durchtränkt werden und danach die Schäumreaktion in einem geschlossenen Formwerkzeug beginnt. Das gibt ein sehr gut lackierbares Bauteil mit einer hochwertigen Oberfläche. In speziellen Fällen, werden die Bauteile noch in der Form mit Dekolack versehen (In-Mould-Coating).

Kunststoffschäume können auch mechanisch angeregt sein

Schon mal Sahne oder Eischnee geschlagen? Dann wird schnell klar, wie das mechanische Schäumen funktioniert. Mit entsprechend kräftigen Rührsystemen wird einfach Luft in die Kunststoffschmelze oder meist in eine weniger zähe, duromere Harzmasse gemengt, die in Form von Blasen im später festen Bauteil verbleibt. Somit ist das eigentlich auch wieder eine Form des physikalischen Schäumens, nur nicht mit expandierenden Inertgasen sondern durch Auflockerung per Lufteintrag.

Das Styroporverfahren macht speziellen Kunststoffkügelchen Dampf

Auch das Styroporverfahren gehört zu den physikalischen Schäumverfahren für Thermoplaste und beschert uns die allseits bekannten superleichten, weißen Verpackungsbauteile aus Polystyrol (PS), auf dessen bekanntesten Handelsnamen sich der Begriff bezieht. Daneben können aber auch die Kunststoffe Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und neuerdings auch PET, sowie das spezielle thermoplastische Polyurethan (TPU) durch das Styroporverfahren zu leichten Formteilen leichten gemacht werden. Die Grundvoraussetzung für das Styroporverfahren ist, dass die genannten Kunststoffe als expandierbares Granulat vorliegen - meist als winzige Kügelchen. Das erreicht man zur Zugabe von geringen Mengen Pentan ins Grundmaterial, bevor man daraus das Granulat macht.

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Das genau, passiert beim Styroporverfahren

Danach wird es eigentlich recht einfach: Man braucht wieder eine Art Gussform. Allerdings muss sie wasserdampfdurchlässige Wände haben, was man durch kleine ventilartige Inserts erreicht, die man gleichmäßig über die Formwand verteilt (deren kreisrunde Abdrücke erkennt man später rund ums Formteil). Nun braucht man nur eine vergleichsweise geringe Menge des expandierbaren Kunststoffgranulats in die Gussform geben, diese verschließen und von außen Wasserdampf mit über 100 °C durch die Ventile jagen. Je nach Pentangehalt und Kunststofftype, expandiert das Granulat dann um das bis zu 80-fache Volumen, wobei es sich im noch weichen Zustand gegen die Wand der Gussform presst und später abkühlt (aus den Kügelchen werden zunächst quasi größere, geschlossenzellige Schaumpartikel, die miteinander fest versintern bevor sie fest werden). Teile, die im Styroporverfahren hergestellt wurden, erkennt man an den deutlich zu sehenden, flachgedrückten Kugelsegmenten an der Oberfläche des Bauteils, die beim Zerbrechen ihre wahre Gestalt in der Bruchfläche offenbaren. Kunststoffgranulate, die man so expandieren kann, erhalten in ihrer technischen Abkürzung den Zusatz „E“…also EPS, EPP, EPE.

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